測(cè)量系統(tǒng)Gage　R&R在生產(chǎn)過程質(zhì)量改進(jìn)中的實(shí)踐研究

張婭嵐　羅素文　王代華

摘? 要：測(cè)量系統(tǒng)是一套人、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境、分析和測(cè)量結(jié)果等的集合。建立準(zhǔn)確有效的測(cè)量系統(tǒng)是生產(chǎn)過程質(zhì)量改進(jìn)中的第一步。文章對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中的Gage R&R在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，藉由“通過測(cè)量系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)應(yīng)用”“執(zhí)行SPC前，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)充分性”的兩個(gè)案例介紹了測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性分析在生產(chǎn)過程質(zhì)量改進(jìn)中的實(shí)踐研究。

關(guān)鍵詞：測(cè)量系統(tǒng)分析;質(zhì)量改進(jìn);Gage R&R

中圖分類號(hào)：TP39? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）20-0167-05

Practical Research on Measurement System Gage R&R in Quality Improvement of Production Process

ZHANG Yalan， LUO Suwen， WANG Daihua

（AECC Guizhou Honglin Aero Engine Control Technology Co.， Ltd.， Guiyang? 550009， China）

Abstract： Measurement system is a collection of people， equipments， materials， methods， environment， analysis and measurement results. Establishing an accurate and effective measurement system is the first step in the quality improvement of production process. This paper studies the application of Gage R&R in the measurement system in the production field. Through two cases of “rapid detecting application through the research of measurement system” and “verifying the adequacy of the measurement system before SPC”， this paper introduces the practical research of the repeatability and reproducibility analysis of the measurement system in the quality improvement of production process.

Keywords： measurement system analysis; quality improvement; Gage R&R

0? 引? 言

中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)成立以來，深入實(shí)施質(zhì)量制勝戰(zhàn)略，質(zhì)量基礎(chǔ)管理和產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量水平有所提升，但距離質(zhì)量管理科學(xué)化、規(guī)范化和精細(xì)化要求尚有較大差距。為創(chuàng)造“用數(shù)據(jù)說話”的質(zhì)量管理氛圍，將質(zhì)量工具方法融入科研生產(chǎn)全過程，樹立依靠質(zhì)量工程技術(shù)提升產(chǎn)品質(zhì)量的理念，促進(jìn)形成用質(zhì)量工具方法進(jìn)行過程管控和問題分析處理的工作習(xí)慣，推動(dòng)質(zhì)量管理水平提升?！敖陙?，測(cè)量系統(tǒng)分析已逐漸成為質(zhì)量改進(jìn)中的一項(xiàng)重要工作，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)分析也已成為美國三大汽車公司質(zhì)量體系QS 9000的要素之一”[1]，國際航空公司GE、RR等在SAE組織下成立SAE G-22 AESQ委員會(huì)，頒布了AS130XX系列標(biāo)準(zhǔn)，其中AS13003標(biāo)準(zhǔn)正式把MSA引入到航空制造領(lǐng)域。

測(cè)量系統(tǒng)是一套人、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境、分析和測(cè)量結(jié)果決策等的集合。所有的測(cè)量系統(tǒng)（measurement system analysis， MSA）都有一定程度的不確定性，由于各種因素的改變。MSA是一種方法，用來確定整個(gè)系統(tǒng)不確定性等級(jí)，這樣我們可以確定這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是否“適用于特定的目標(biāo)”，MSA的目的是識(shí)別系統(tǒng)呈現(xiàn)的總變量，這樣可以采取有效的控制措施，保證可重復(fù)性和準(zhǔn)確測(cè)量，使得測(cè)量正確，而正確的測(cè)量永遠(yuǎn)是質(zhì)量改進(jìn)的第一步?！叭绻麤]有科學(xué)的測(cè)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，缺少對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的有效控制，質(zhì)量改進(jìn)就失去了基本的前提。為此，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析就成了實(shí)現(xiàn)質(zhì)量改進(jìn)的必經(jīng)之路”[1]。

“從統(tǒng)計(jì)質(zhì)量管理的角度來看，測(cè)量系統(tǒng)分析實(shí)質(zhì)上屬于變異分析的范疇，即分析測(cè)量系統(tǒng)所帶來的變異相對(duì)于工序過程總變異的大小，以確保工序過程的主要變異源于工序過程本身，而非測(cè)量系統(tǒng)，并且測(cè)量系統(tǒng)能力可以滿足工序要求”[2]，即確定這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是否“適用于特定的目標(biāo)”。

1? MSA的基本概念及含義

1.1? 基本概念

測(cè)量系統(tǒng)分析（MSA）的目的在于分析測(cè)量系統(tǒng)本身的誤差能否滿足要求。根據(jù)AS13003標(biāo)準(zhǔn)，“測(cè)量系統(tǒng)的誤差包括準(zhǔn)確性（Accuracy）、穩(wěn)定性（Stability）、線性（Linearity）、以及重復(fù)性和再現(xiàn)性（Repeatability & Reproducibility， R&R）。準(zhǔn)確性是觀測(cè)值與實(shí)際值之間的相差程度、平均值的比較。穩(wěn)定性是指測(cè)量系統(tǒng)在不同時(shí)間內(nèi)對(duì)同一個(gè)主體或部件測(cè)量它的某個(gè)單一特性時(shí)得到的變異。有時(shí)，量具在不同工作區(qū)間內(nèi)的準(zhǔn)確性各不相同，這反映了該測(cè)量系統(tǒng)的線性特征。”[3]

本文以連續(xù)型數(shù)據(jù)為對(duì)象重點(diǎn)介紹測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性。所謂重復(fù)性，是指同一個(gè)操作者用同樣的量具測(cè)量同一部件進(jìn)的變異，它反映了測(cè)量系統(tǒng)自身的變異;再現(xiàn)性則是指由不同的操作者用相同的量具測(cè)量同一部件的變異，它是操作者變異性的體現(xiàn)。目前，可通過Minitab軟件計(jì)算Gage R&R來評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)的能力?！叭鬐age R&R小于10%時(shí)，表示測(cè)量系統(tǒng)可接受;Gage R&R大于30%，表示測(cè)量系統(tǒng)完全不可用，數(shù)據(jù)不能用來分析，應(yīng)改進(jìn);當(dāng)Gage R&R等于10%～30%時(shí)，表示測(cè)量系統(tǒng)也許可用，也許要改善，應(yīng)根據(jù)測(cè)量過程的重要程度判定是否對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)?！盵3]利用Minitab軟件計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)時(shí)將可區(qū)分?jǐn)?shù)同時(shí)納入（要求可區(qū)分?jǐn)?shù)大于等于4），可區(qū)分?jǐn)?shù)是測(cè)量系統(tǒng)對(duì)已獲測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分的分組數(shù)，該特性為次要特性：即非重要的特性，如果出現(xiàn)不合格，不會(huì)降低產(chǎn)品的使用性。

需要說明的是：“測(cè)量不是絕對(duì)的，測(cè)量系統(tǒng)的變異必須得到評(píng)估;測(cè)量誤差必須減少，以得到更精確的流程波動(dòng)圖;Gage R&R研究要考慮與流程變異的聯(lián)系”[4]。

測(cè)量系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，評(píng)價(jià)該測(cè)量系統(tǒng)的Gage R&R無意義。

1.2? 應(yīng)用步驟及注意事項(xiàng)

計(jì)劃及準(zhǔn)備工作對(duì)于成功的研究測(cè)量系統(tǒng)非常重要。在測(cè)量系統(tǒng)分析的應(yīng)用過程中，要成立專門的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員組成為質(zhì)量技術(shù)員，質(zhì)量檢測(cè)專家以及質(zhì)量、生產(chǎn)相關(guān)人員。團(tuán)隊(duì)成員要具備基本的測(cè)量系統(tǒng)分析知識(shí)，并遵循必要的步驟。確定了要評(píng)價(jià)的測(cè)量系統(tǒng)后，需考慮樣本、樣本量、測(cè)量儀器、操作者等因素，以保證收集數(shù)據(jù)真實(shí)可用。

1.2.1? 確定測(cè)量系統(tǒng)分析的開機(jī)條件

測(cè)量系統(tǒng)分析的具體開機(jī)條件和相關(guān)行動(dòng)如表1所示。

1.2.2? 樣本選擇

應(yīng)從全部的觀測(cè)結(jié)果中選取樣本，樣本的誤差要能代表實(shí)際的誤差。

樣本選擇的影響因素包括：

關(guān)鍵尺寸——關(guān)鍵尺寸要求的可靠性越高，要求的數(shù)據(jù)越多。

零件結(jié)構(gòu)：大的部件，難以測(cè)量的特性，以及樣本數(shù)量少可以使用小樣本，但應(yīng)當(dāng)在報(bào)告中明確，且須由客戶批準(zhǔn)。

客戶要求：樣本數(shù)量按照客戶的要求執(zhí)行。

選擇分析的樣本應(yīng)能代表生產(chǎn)過程所允許的尺寸范圍，理想狀態(tài)是收集的樣本數(shù)據(jù)能覆蓋整個(gè)允許的公差范圍。

要求：操作者必須進(jìn)行隨機(jī)測(cè)量，以保證操作者不能識(shí)別零件順序。

1.2.3? 樣本量

對(duì)于任何統(tǒng)計(jì)技術(shù)，樣本數(shù)量越大，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。至少需要10個(gè)以上樣本。

每個(gè)檢驗(yàn)員應(yīng)對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行2～3次的測(cè)量。

需要指出的是在使用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，人為因素的影響可以忽略不計(jì)。因此，當(dāng)驗(yàn)證自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的可重復(fù)性時(shí)，重復(fù)次數(shù)可以減少到至少5次。

1.2.4? 操作者

在可能的情況下，研究應(yīng)包括通常使用該測(cè)量設(shè)備的操作人員兩人來執(zhí)行對(duì)代表性樣本研究。

需要考慮的重要因素包括：

（1）經(jīng)驗(yàn)最豐富和最沒有經(jīng)驗(yàn)的人;

（2）在不同地方工作的人;

（3）在不同班次上工作的人;

（4）其他可能影響測(cè)量過程的生理因素。例如，左手和右手的人，不同水平的視力、身高、力量等。

所有參與測(cè)量研究的人員不包括不執(zhí)行測(cè)量活動(dòng)的人。不包括計(jì)量學(xué)家或制造工程師等“專家”，除非他們是具備代表性。

1.2.5? 測(cè)量儀器

測(cè)量儀器有以下要求：

（1）測(cè)量儀器必須經(jīng)過校準(zhǔn)且在校準(zhǔn)有效期內(nèi);

（2）確保測(cè)量儀器分辨率≤10%總誤差;

（3）確保測(cè)量儀器精度比≥10：1，亦可與客戶溝通使用4：1精度比。

1.2.6? 結(jié)果分析

在選擇了最合適的數(shù)據(jù)收集計(jì)劃用于收集測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，需要采用合適的分析方法，以解釋這些結(jié)果。根據(jù)AS13003，“GR&R<30%，可區(qū)分的類別數(shù)≥4，這兩個(gè)條件都滿足，測(cè)量系統(tǒng)才合格。”[5]本文利用軟件Minitab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性Gage R&R分析，得出相應(yīng)結(jié)論。如圖1所示。

測(cè)具R&R研究的目的是分離變量為獨(dú)立部分，可重復(fù)性、可再現(xiàn)性，零件和操作者等，找到任何可能找到的變量源。

1.2.7? 進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析時(shí)的注意事項(xiàng)

測(cè)量系統(tǒng)需要校準(zhǔn)，并且可追溯到相關(guān)國家或國際標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)量設(shè)備需要保持一個(gè)好的工作狀態(tài)，檢查破壞或者維修的證據(jù)，這些可能影響測(cè)量的能力。

必須用生產(chǎn)過程中的零件進(jìn)行研究，除非客戶允許使用代表性零件或則標(biāo)準(zhǔn)樣品。分析的用的零件可以代表實(shí)際生產(chǎn)過程的零件，可以包括超出上下極限的零件。

零件要干凈、整潔，無毛刺。

參與研究的人員必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)并勝任測(cè)量任務(wù)。

測(cè)量系統(tǒng)研究和分析應(yīng)該被具有相關(guān)MSA能力的人員指導(dǎo)或協(xié)助。

在MSA研究中，環(huán)境應(yīng)符合要求并與實(shí)際生產(chǎn)過程的環(huán)境一致。

用于研究的方法必須和生產(chǎn)過程中的條件保持一致，如：找正，裝夾、壓緊都可能會(huì)影響測(cè)量值，在每次測(cè)量時(shí)，零件都應(yīng)拆卸和重新裝夾。

在研究過程中，執(zhí)行測(cè)量的人員不能看到他們自己或其他參與者之前的測(cè)量結(jié)果。

2? 應(yīng)用案例

2.1? 利用測(cè)量系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)應(yīng)用

現(xiàn)狀：公司購買新的檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備檢測(cè)結(jié)果是否可用，要求對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析。

目標(biāo)：使用光學(xué)軸類檢測(cè)儀Sylvac Scan52對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量方式確定。

方法：研究同軸度、徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)公差≥0.05 mm時(shí);比較靜態(tài)測(cè)量方式和動(dòng)態(tài)測(cè)量方式測(cè)量系統(tǒng)，確定光學(xué)軸類檢測(cè)儀Sylvac Scan52檢測(cè)方式。

實(shí)施：

（1）選取零件2189.018-1F，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量方式對(duì)檢測(cè)直徑尺寸Φ36.07-0.025，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析。表2為數(shù)據(jù)分析表格。其中，合計(jì)量具R&R公差G=20.07<30%，但NDC=3<4，表示測(cè)量系統(tǒng)不可用。

從表2的測(cè)量系統(tǒng)分析中得知測(cè)量系統(tǒng)不可用。

表2中，測(cè)量系統(tǒng)中部件間的變異占測(cè)量系統(tǒng)的92.26%，因此測(cè)量系統(tǒng)不可用的原因是零件之間重復(fù)性不好。進(jìn)行機(jī)理分析：由于設(shè)備的靈敏度較高，兩次測(cè)量位置不一致是測(cè)量系統(tǒng)不合格的主要原因，其主要表現(xiàn)在使用靜態(tài)的測(cè)量方式造成兩次測(cè)量零件位置不一致，使得測(cè)量系統(tǒng)不合格。為此，我們將測(cè)量方式更改為動(dòng)態(tài)測(cè)量，即旋轉(zhuǎn)測(cè)量，進(jìn)行第二次測(cè)量系統(tǒng)分析。

（2）選取零件2189.018-1F，檢測(cè)直徑尺寸Φ36.07-0.025，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析。表3為數(shù)據(jù)分析表格。其中，合計(jì)量具R&R公差G=17.33<30%，但NDC=4，表示測(cè)量系統(tǒng)可用。

經(jīng)過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)分析比對(duì)，統(tǒng)計(jì)上認(rèn)為檢測(cè)動(dòng)態(tài)的測(cè)量方式測(cè)量的數(shù)據(jù)為可用數(shù)據(jù)。對(duì)選擇光學(xué)軸類檢測(cè)儀Sylvac Scan52的測(cè)量方式確定上提供依據(jù)。

應(yīng)用：光學(xué)軸類檢測(cè)儀Sylvac Scan52通過評(píng)審并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用。

2.2? 執(zhí)行SPC前，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)充分性

現(xiàn)狀：現(xiàn)場(chǎng)2703.004F精益線（專線）已運(yùn)行了一年，由于實(shí)現(xiàn)了小批流，按照傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式，不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的流動(dòng)。

目標(biāo)：通過現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量過程控制實(shí)現(xiàn)抽免檢。在執(zhí)行SPC前，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)充分性。

方法：根據(jù)加工工序最終尺寸形成的刀具進(jìn)行歸類，選擇同一把刀具加工形成尺寸中精度最高的一項(xiàng)作為SPC數(shù)據(jù)收集對(duì)象。

針對(duì)選取的尺寸先進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析（MSA），測(cè)量系統(tǒng)分析合格后執(zhí)行SPC。表4為離散型數(shù)據(jù)表。

根據(jù)表4，計(jì)算可得表5。其中，在線性和總重復(fù)性要求大于90%，表示測(cè)量系統(tǒng)合格。

要求>90%，因此操作員操作者1與操作者2測(cè)量系統(tǒng)合格，數(shù)據(jù)可以使用。表6為連續(xù)型數(shù)據(jù)。其中，合計(jì)量具R&R公差G=19.85<30%，NDC=4，表示測(cè)量系統(tǒng)可用。

結(jié)論：非連續(xù)型數(shù)據(jù)、連續(xù)型數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)可用。

應(yīng)用：現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行SPC應(yīng)用。

3? 結(jié)? 論

測(cè)量系統(tǒng)的變異是工序質(zhì)量變異的一個(gè)重要來源，它對(duì)工序能力分析、工序控制和工序質(zhì)量檢驗(yàn)都會(huì)造成影響。本文重點(diǎn)討論的是測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性問題，闡述了測(cè)量系統(tǒng)分析的作用和意義，給出了測(cè)量系統(tǒng)分析的方法，從而提升企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 吉特洛，萊文.六西格瑪綠帶與倡導(dǎo)者手冊(cè)：原理、DMAIC、工具、案例和證書 [M].張建同，張艷霞，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007年.

作者簡介：張婭嵐（1970.11—），女，漢族，云南墨江人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：質(zhì)量改善、管理創(chuàng)新;

羅素文（1975.05—），女，漢族，廣東興寧人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：管理歸零、管理提升;

王代華（1964.09—），男，漢族，貴州金沙人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：工序外包供應(yīng)商質(zhì)量管理提升。